Charakterisierung neuer Batteriematerialien
Den weltweiten Energiebedarf auf nachhaltige Weise zu decken und die die Abhängigkeit von der fossiler Kraftstoffverbrennung zu verringern ist eine der größten Herausforderungen des 21. Jahrhunderts. Li-Ionen-Akkus sind hier in vielerlei Hinsicht führend. Sie haben die Unterhaltungselektronik revolutioniert, breiten sich im Markt für Elektroautos schnell aus und sollen die Grid-Energiespeicherung beherrschen. Das EU-finanzierte Projekt IONELECTRO (Molecular origins of electrochemical energy storage properties in lithium-ion batteries and supercapacitors) lieferte wichtige neue Einblicke zu Mechanismen auf atomarer Ebene für das rationale Design von verbesserten Li-Ionen-Batterien. Die Struktur ist von Natur aus ummer mit der Funktion verbunden und auch für Li-Ionen-Batterien ist es nicht anders. Allerdings sind amorphe Strukturen und Defekte schwierig auf atomarer oder Ionentransportebene zu analysieren. Mithilfe innovativer und neu entwickelter Festkörper-Kernspinresonanz (NMR) haben Wissenschaftler wichtige Informationen über Elektroden- und Elektrolytmaterialien für Li-Ionen-Akku der nächsten Generation offenbart. Die Forscher entwickelten einen neuartigen NMR-basierten experimentellen Ansatz, um lokale Li-Strukturen und Umgebungen in Li-Feststoffen und atomare Defekte in kristallinen Lithium-Ionen-Batterie-Elektroden zu identifizieren und zu charakterisieren. Dabei konnten sie atomaren Eigenschaften von Li in verschiedenen Umgebungen mit bisher unerreichter Genauigkeit für die wichtigsten Ergebnisse offenbaren. Im Gegensatz zu anderen Techniken, die darauf schließe ließen, dass ein vielversprechendes Elektrodenmaterial (LiVPO4F) für Li-Ionen-Batterien der nächsten Generation sehr gut kristallisiert ist, zeigten die neuen Experimenten eine große Anzahl von Defekten und ihre Eigenschaften. Untersuchung der Ursprünge des Defekts und dessen Auswirkung auf elektrochemische Eigenschaften sind im Gange. Auch Unterschiede in den lokalen Li-Umgebungen wurden in zwei Formen einer sehr vielversprechenden Li-Ionen-Batterie-Elektrode (Li2Fe(SO4)2) gefunden. Feste Polymerelektrolyte sind nicht brennbar und in der Regel sicherer als organische flüssige Elektrolyte. Neuartige NMR-Techniken brachten neue Informationen darüber, wie Ionen über verschiedene Zeit- und Längenskalen in verschiedenen Polymerelektrolyten diffundieren. Das Verständnis der elektrochemischen Natur von Lithium-Ionen-Batterie-Materialien auf atomarer Ebene sollen Wissenschaftlern beim rationalen Design helfen und so wesentlich verbesserte Li-Ionen-Batterie-Elektroden und feste Elektrolyte ermöglichen. Dies wiederum wird ein wertvoller Beitrag für die Zukunft der globalen Energielandschaft und zur Verringerung der Abhängigkeit von der Verbrennung fossiler Brennstoffe sein und die Gesundheit unserer Planeten verbessern.
Schlüsselbegriffe
Elektrochemisch, Energiespeicherung, Lithium-Ionen-Batterien, Superkondensatoren, NMR